第二章-单片机基本结构与工作原理

第二章单片机基本结构与工作原理2·1典型单片机由哪几部分组成？各部分的基本功能是什么?答:一个典型单片机，由CPU系统、CPU外围单元、基本功能单元和外围扩展单元电路组成。(l)CPU系统CPU系统包括了CPU、时钟系统、复位电路和总线控制逻辑。①CPU。在单片机中的CPU与通用CPU不同。它是按照面向测控对象、嵌入式应用和单芯片结构要求专门设计的，要保证有突出的控制功能。②时钟系统。时钟系统要满足CPU及片内各单元电路对时钟的要求;同时，在CMOS单片机中要满足功耗管理对时钟系统电路的可控要求。③复位电路。能满足上电复位和信号控制复位的最简化电路。④总线控制逻辑。总线控制逻辑要满足CPU对内部总线和外部总线的控制。内部总线控制用以实现片内各单元电路的协调操作;外部总线控制用于单片机外围扩展时的操作管理。(2)CPU外围单元CPU外围单元是与CPU运行直接相关的单元电路，与CPT构成了单片机的最小系统。①程序存储器ROM。程序存储器为只读存储器ROM(ReadlOnlyMemory)，用于固化单片机的应用程序代码和存放一些表格、常数。②数据存储器RAM。由于面向测控系统，单片机申的数据存储器容量较小，通常都不多于256B，而且都使用静态随机存储器SRAM(StaticRandomAccessMemory)。③输入/输出(1/0)端口。I/O端口是计算机的输入/输出接口。单片机中的I/O端口都是芯片的输入/输出引脚。这些I/O端口分为以下几种类型:●总线输入/输出端口。●用户I/O端口。由用户用于外部电路的输入/输出控制。●片内功能单元的输入/输出端口。例如，定时器/计数器的计数输入、外部中断源输入等。为了减少引脚数量，单片机的I/O端口都有复用功能。例如，不使用外部总线时，总线端口可用做用户I/O端口。④操作管理寄存器。操作管理寄存器是用于单片机内各功能单元的运行控制和管理的寄存器单元。片内每个功能单元都对应有一个或多个操作管理寄存器，可通过指令系统对其编程操作，以实现这些功能单元的方式设置、启动运行和状态读取等。(3)基本功能单元基本功能单元是满足单片机测控功能要求的基本计算机外围电路，是用来完善和扩大计算机功能的一些基本电路，如定时器/计数器、中断系统和串行通信接口等。CPU、CPU外围和基本功能电路组成了单片机的基础部分，形成了单片机系列的基核。(4)外围扩展单元电路外围扩展单元电路是满足不同嵌入式应用要求的外围功能电路扩展，如满足数据采集要求而扩展的ADC，满足伺服驱动控制的PWM和满足程序可靠运行的监视定时器WDT(WatchDogTimer)等。通常，每个系列单片机都有自己的基核，即在基核上扩展不同的外围。2·2单片机片内有许多电路单元，CPU对这些电路单元的运行操作采取了什么样的管理办法?答:单片机是一个完善的面向测控对象的计算机系统。除了基本计算机系统单元电路外，还有许多用于测控对象要求的功能单元，以及根据嵌入式应用要求的形形色色外围电路单元。这些电路单元的应用管理十分复杂，是单片机应用中必须解决的课题。(1)集中的归一化操作管理寄存器为解决单片机内部各电路单元的操作管理，通常都采用集中的归一化操作管理寄存器。①按可编程应用集成器件的运行操作方式，设置专门操作管理的寄存器来实现电路单元的方式设置、启动、控制和状态查询等。②设置集中的操作管理寄存器空间，集申所有单元电路的操作寄存器，并且形成统一规范的归一化操作界面(如寻址方式和操作指令等)。③尽可能设置在片内RAM空间上，这样可实现与通用寄存器一样方便而快捷的操作。(2)统一成单片机中的特殊功能寄存器(SFR)按照上述集中的归一化原则，单片机中普遍将操作管理寄存器统一成特殊功能寄存器SFR(SpecialFunctionRegisters)，以区别于通用寄存器。采用SFR操作管理方式后，单片机内各种单元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方式，通过对SFR的读、写来实现操作管理。按照应用特性区分，可编程集成器件的操作管理寄存器有以下几类:①方式寄存器。设置器件的应用方式，如设定定时器/计数器的定时或计数方式等。②控制寄存器。控制器件的运行操作，如控制定时器/计数器的启动和停止等。③状态寄存器。显示器件运行时的状态，如计数器是否溢出等。④数据寄存器。器件运行操作时用于传送数据的寄存器，如存放计数结果数据等。在单片机中，许多功能单元的运行操作内容不多，通常都将方式设置、操作控制和状态标志合并成一个寄存器。方式设置、操作控制与状态标志都通过对某些定义位来实现。例如，80C51中的定时器/计数器单元，只使用了半个控制寄存器TCON和一个方式寄存器TMOD来管理两个定时器/计数器T0和Tl的所有操作。寄存器中包括有方式设置位、定时/计数选择位、内/外部启动控制选择位、启/停控制位和溢出标志位。只须对TCON、TMOD进行读、写操作，就可实现定时器/计数器的所有操作管理和状态查询。(3)特殊功能寄存器(SFR)的可扩展性对于不同的嵌入式应用状况，单片机会增加一些外围扩展单元，这些扩展单元也应实施SFR的集中管理方式。随着外围单元电路的扩展，可在空闲的SFR空间扩展相应的操作管理寄存器。在80C51系列单片机片内RAM的256B寻址空间中，将直接寻址的80H~FFH空间作为SFR使用，80C5l基核只占用其中很少一部分，其余都可以用来设置扩展单元的SFR。例如，80C51扩展了I2C总线接口单元电路后，在D8H~DBH的SFR单元扩展了用于T2C总线操作管理的控制寄存器SlCON、状态寄存器SlSTA、数据寄存器SlDAT和地址寄存器SlADR。片内各功能电路设置的归一化SFR操作管理模式，便了解、掌握单片机的应用变得十分容易，只须了解电路结构和掌握相应的.sFR就可以实现对该资源的运行操作。2·3什么是计算机的哈佛结构和冯·诺伊曼结构?答:哈佛(Harvard)结构是指计算机系统中数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。单片机系统中，采用哈佛结构主要考虑其面向测控对象，通常有大量的控制程序和数量较少的随机数据。将程序和数据分开，使用较大容量的程序存储器来固化程序代码;使用少容量的数据存储器来存取随机数据。冯·诺伊曼(VonNeumann)结构是指计算机系统申使用的程序、数据共用一个空间的结构体系。一般通用计算机系统中多采用这种结构。采用冯·诺伊曼结构时，程序和数据都在同一空间，程序在随机存储器OAM中运行;而在哈佛结构中，程序在只读存储器ROM中运行，不易受外界侵害，可靠性高。2·4与道用CPU相比，单片机的指令系统有哪些特点?答:在单片机专门设计的CPU系统申，指令系统突出了控制功能。①大量使用单宇节指令，以提高指令运行速度和操作效率。在RISC结构的单片机中基本上是单字节指令。②丰富的位操作指令，满足了控制要求的位寻址、逻辑位操作和位条件转移等。③有许多满足CPU对外围电路的直接操作指令，如对片内、外数据存储器的传送指令和对操作管理寄存器的读、写操作等。④有丰富的转移指令，包括有许多无条件转移指令和满足各种操作、运算结果的条件转移指令。2．5请举出80C5l系列单片机的基本功能与扩展结构。答：1.80C51系列单片机的基本结构80C51系列具有典型的单片机结构体系。有专门设计的CPU外围和基本功能单元。(l)CPU系统80C5l的CPU系统包括CPU、时钟系统和总线控制逻辑。①CPU。80C5l的CPU是专门为面向测控对象、嵌入式应用特点而设计的，有突出控制功能的指令系统。②时钟系统。80C51的时钟系统是一个内含时钟振荡电路、外接谐振器和可关断控制的时钟系统。●时钟振荡器。它是一个在片的并联谐振振荡电路，谐振器为石英振子或陶瓷振子。●时钟振荡器通过引脚XTAL2、XTALl与外接谐振器、振荡电容Cl、C2相连。●80C51的时钟系统具有可关断功能。通过TDT端可关闭CPU的时钟;通过PD端可关闭时钟振荡器。时钟系统的关断功能主要用于单片机的功耗管理。③总线控制逻辑。总线控制逻辑主要用于管理外部并行总线的时序以及系统复位控制。总线控制逻辑的外部引脚有RST、ALE、EA、PSEN。●复位控制。复位控制引脚为RST，为高电平复位。当该引脚有复位信号输人时，单片机进入复位状态。●外部总线控制。80C51有完善的外部并行扩展总线。ALE、EA、PSEN用于外部并行扩展总线的管理与控制。ALE用于数据总线复用管理；EA用于外部与内部程序存储器选择;PSEN用于外部程序存储器的读取指令控制。（2）典型的CPU外围电路80C5l的CPU外围电路有程序存储器ROM、数据存储器RAM、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。①程序存储器ROM。80C51的程序存储器，按其供应状态有MaskROM、EPROM、OTPROM、FlaShROM和ROMLess，其供应状态可从型号标识中认出。80C5I的主要生产厂家Philips公司，采用型号中第2个数字表示程序存储器的供应状态，以8XCXXX表示80C51系列型号标识时，8OCXXX为ROMLess型，83CXXX为MaskROM型，87CXXX为EPROM/OTPROM型，8gCXXX为FlashROM型。②数据存储器RAM。80C5]的数据存储器是一个多功能复用型数据存储器，寻址范围为00H~FFH，它包括有数据存取空间、通用工作寄存器、堆栈、位地址空间等。③I/O端口。80C51有4个8位I/O端口，分别为P0、Pl、P2、P3。P0口为数据总线端口;P2、P0组成了并行扩展总线的16位地址线;Pl为用户I/O:P3是用于基本功能单元的输人/输出端口以及并行扩展总线的读写控制线。80C5l的I/O端口具有复用功能。例如，在不使用并行扩展总线时，P0、P2口可作用户I/O口;P3口不作基本功能单元的输人/输出口时，也可作用户I/O口使用。④特殊功能寄存器SFR。SFR是单片机中的重要控制、指挥单元。CPU对所有片内的功能单元的操作、控制都是通过对SFR访问实现的。(3)基本功能单元80C51系列单片机的基本功能单元有定时器/十数器、中断系统和串行接口。①定时器/计数器。80C51有两个16位定时器/计数器，分别为T0和Tl。定时器/计数器可以作内部定时器或外部脉冲计数器使用。作内部定时器时，是靠对时钟振荡器12分频脉冲计数方式实现定时的;作为计数器时，外部脉冲通过引脚T0（P3.4)、T1(P3.5)输人。②中断系统。80C51的中断系统中有五个中断源，即两个外部中断源、两个定时器/计数器T0、Tl溢出中断源和一个串行通信发送/接收完毕的中断源。五个中断源有高级、低级两种优先状态。两个外部申断源由引脚INT0(P3.2)、INTl(P3.3)输人。③串行接口UART。80C51的串行接口是一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收发器UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter)。因此，80C51的串行接口UART不仅可用做串行通信，还可以用于移位寄存器方式的串行外围扩展。串行接口的外部引脚为RXD(P3.0)、TXD(P3.1)。2．80C51系列单片机的扩展结构80C51系列单片机的内部资源扩展主要有速度扩展、CPTT外围扩展、基本功能单元扩展、外围单元扩展和电源扩展。(1)速度扩展速度扩展有时钟频率扩展和总线速度扩展。①时钟频率扩展。时钟频率扩展是提高时钟频率。80C5l的典型时钟频率上限是l2MHz，但目前在许多型号中为16MHz、g4MHz、33MHz，最高可达40MHz。②总线速度扩展。总线速度扩展是在时钟频率不变的情况下提高指令运行速度。典型的80C51的机器周期为时钟频率的19分频，即在12MH，时钟周期下，单周期指令速度为lMIPS(每秒百万条指令，MillionInstructionPerSecond)。目前有些厂家在对80C5lCPU总线结构改进的基础上降低机器周期来提高指令速度。例如，Dallas公司推出的DS80C320将80C5l的机器周期降低到时钟